Раковий корпус

Уявіть собі, що якісь інопланетяни вивчають повсякденне функціонування людських поселень тими методами, якими тут, у нас, користуються гістологи і молекулярні біологи. Читаючи статті таких дослідників, ми виявимо в них, скажімо, дивовижний термін «робочі рейкового руйнування» — і не відразу зрозуміємо, що мова йде про звичайних колійників-ремонтників. Виявляється, перше, що дізналися про них інопланетяни, — це те, що їх скупчення і активне функціонування завжди приурочене до пошкоджень колії. Пізніші дослідження дозволили зрозуміти їхню справжню роль у житті суспільства, а назва так і залишилася.

Щось подібне сталося при вивченні генетичних механізмів канцерогенезу. Саме ті гени, нормальна робота яких не дозволяє здоровій клітці перетворитися на пухлинну, отримали образливу кличку «протоонкогенів», а їхні поломки, що позбавляють їх можливості виконувати свою роботу, іменуються «активацією». Але — про все по порядку.

В даний час немає сумнівів у тому, що в основі злоякісних новоутворень лежать саме пошкодження генетичного апарату клітини. Активний пошук генів, відповідальних за переродження клітини, почався ще в 50-60-ті роки в рамках модних тоді уявлень про вірусну природу раку. І дійсно, у онкогенних вірусів знайшли специфічні гени, що не мають відношення до вірусних білків, але активно працюють саме в ракових клітинах. Такі гени були названі «онкогенами». Незабаром виявилося, однак, що нуклеотидні послідовності всіх без винятку вірусних (і відкритих до того часу невірусних) онкогенів майже точно збігаються з якимись генами, присутніми і працюючими в нормальних, здорових клітинах організму. Ці нормальні гени (на сьогодні їх відомо вже близько сотні) і назвали «протоонкогенами», а передбачуваний (і згодом доведений) процес їх перетворення на онкогени — активацією. І лише багато пізніше вченим вдалося розібратися у відносинах цих структур.

Виявилося, що протоонкогени — це гени, які якраз регулюють нормальну поведінку клітини: її правильні відповіді на вплив факторів росту (див. Глосарій наприкінці статті), гормонів та інших сигнальних речовин. Вони утворюють систему контролю росту, ділення і диференціювання клітин (див. глосарій) і самі знаходяться під контролем інших генів. Наприклад, гени BRCA1 і BRCA2, мутації яких можуть призвести до виникнення пухлин яєчників і молочної залози, беруть участь у контролі цілісності геному. Участь протоонкогенів в основоположних клітинних процесах обумовлює їх високу еволюційну консервативність: багато протоонкогенів надзвичайно схожі у еволюційно далеких видів. Так, протоонкогени, кодуючі фактори росту та їх рецептори (а також гени рецепторів інсуліну), знайдені не тільки у ссавців і птахів, а й у деяких видів безхребетних — нематод і комах. Для довідки: еволюційні шляхи хребетних і комах розійшлися приблизно 800 млн років тому, коли предки тих та інших були примітивними морськими багатоклітинними, анітрохи не схожими на своїх нинішніх нащадків.

Однак протоонкогени, як і будь-які гени будь-яких організмів, схильні до мутацій — випадкових помилок, що відбуваються зазвичай при копіюванні генетичного тексту і зберігаються у всіх нащадків мутованої клітини. Деякі мутації можуть не мати особливого значення — їх результатом стають трохи відрізняються один від одного форми білків, які все одно виконують свою функцію. У рідкісних випадках результатом мутації може виявитися корисна зміна. Але більшість мутацій порушує найтонші, до дрібниць налагоджені процеси життєдіяльності клітини або її взаємодії з іншими клітинами — аж до повної втрати геном своєї функції. Якщо таке трапиться з таким важливим геном, якими є протоонкогени, це може стати ключовою подією, що призводить до хромосомної нестабільності і злоякісної трансформації клітини.

Точкові мутації найчастіше переводять в розряд онкогенів протоонкогени сімейства ras. Ці гени відіграють важливу роль у системі управління проліферації клітин (див. Глосарій) і в разі мутації починають посилати безперервні сигнали з мембрани клітини в ядро, незалежно від факторів росту та їх рецепторів (див. статтю Б. Жукова «Смертельний егоїзм»), що призводить до неконтрольованого поділу. Мутації одного з генів ras (H-ras, K-ras2 або N-ras) виявляють приблизно в 15% випадків злоякісних новоутворень у людини.

Мутації можуть призводити до стимуляції клітинного ділення на самій останній стадії сигнального ланцюга — на стадії реакції на ростовий сигнал у клітинному ядрі. Ця реакція полягає в активації певних генів, які починають синтезувати продукти, необхідні для клітинного ділення. Але мутантні форми цих генів активуються і за відсутності факторів зростання. Так відбувається, наприклад, з онкогеном myc: у багатьох пухлинних клітинах підтримується постійно високий рівень експресії (див. глосарій) цього онкогена.

Інший тип мутацій — транслокації, тобто переміщення гена в іншу ділянку, — особливо характерний для пухлин лімфоїдної тканини, оскільки в лімфоцитах перебудова ДНК — частина нормального процесу формування імуноглобулінів і антигенрозпізнаючих рецепторів. Гени, які кодують ці білки, нерідко втягуються в транслокації, а порушення нормальної регуляції таких перебудов може бути причиною розвитку пухлини. Наприклад, причина хронічної мієлогенної лейкемії — так звана філадельфійська хромосома, транслокація між довгими плечима хромосом 9 і 22. При цьому відбувається об’єднання гена тирозінкінази ABL1 9-ї хромосоми з геном BCR 22-ї хромосоми. Виникаючий при цьому хімерний білок Bcr-Abl змушує клітку не звертати уваги на відсутність факторів зростання, і вона починає надлишково ділитися.

Втім, перетворення клітинних протоонкогенів в онкогени може відбуватися не тільки в результаті мутацій, що змінюють сам «текст» протоонкогена і як наслідок — природу кодованого ним білка. Іноді поштовхом до злоякісного переродження виявляється підвищення рівня експресії протоонкогена — надмірний синтез абсолютно нормального білка. Це може статися через ампліфікацію протоонкогена (поява в геномі безлічі його копій) або його переміщення під більш сильний промотор (див. глосарій) іншого гена. Останнє особливо часто трапляється при вбудовуванні в геном ретровірусів — вони «впроваджуються» в хромосому в випадковому місці (яке раптом може опинитися поруч з протоонкогеном) і володіють дуже сильними промоторами, оскільки для них життєво важливо змусити клітку негайно зчитувати їхні гени. Такий, наприклад, механізм дії так званих слабоонкогенних ретровірусів — самі по собі вони не містять онкогена, але мають промотори, що збільшують експресію прилеглих генів в 10-100 разів.

Припускають, що ампліфікація певних ділянок (локусів) ДНК в пухлинній клітці дає їй перевагу перед нормальними клітинами — прискорений ріст або підвищена стійкість до протипухлинних засобів. Встановлено, що в пухлинних клітинах людини ампліфікації піддаються багато генів. Деякі протоонкогени (наприклад, MYCN) були ідентифіковані завдяки їх присутності в ампліфікованих ділянках ДНК пухлинних клітин, а також їх гомології (критичній схожості) з відомими онкогенами. Ампліфікація ділянки ДНК на 12-й хромосомі виявлена при різних саркомах і нейробластомі у людини. Багато генів, що контролюють клітинну проліферацію, наприклад, MDM2, GLI, CDK4, SAS, а також деякі інші, нерідко ампліфікуються одночасно. Для деяких злоякісних новоутворень простежено зв’язок клінічних проявів з ампліфікацією генів (особливо гена ERBB2 при раку молочної залози і MYCN при нейробластомі); ампліфікація клітинного протоонкогена, як правило, свідчить про несприятливий прогноз. Ампліфікація гена може надавати пухлинним клітинам стійкість до хіміотерапії. Так, на тлі лікування метотрексатом нерідко з’являються клітини з ампліфікацією гена, що кодує саме той фермент (дигідрофолатредáазу), активність якого знижує застосовуваний препарат.

У багатьох випадках було показано, що при злоякісному переродженні сам «текст» протоонкогена не змінюється, а онкогеном він стає тільки через те, що його — точніше, кодованого ним білка — занадто багато. Наприклад, онкогенний потенціал генів сімейства myc (при активації яких клітина не може вийти з циклу поділів) в основному визначається кількісними змінами білкового продукту.

Однак мутація або різке посилення експресії протоонкогена — це ще не рак. Клітини виробили кілька шляхів контролю росту і насамперед — процесу ділення. Поділ — не тільки один з найважливіших, але і найнебезпечніший момент у житті клітини. У неподільній, нормально працюючій клітці пошкодити її генетичний матеріал важко: вся ДНК компактно покладена в хромосоми, непрацюючі гени закриті спеціальними білками, з працюючих генів інформація переписується на мРНК — звичайно, при переписуванні можливі помилки, але сам ген при цьому не пошкоджується. А ось перед поділом має відбутися подвоєння всього генетичного матеріалу — з усієї клітинної ДНК знімається копія. Будь-яка допущена в цей момент помилка (тобто мутація) буде зберігатися у всьому потомстві дочірньої клітини — а тому, з точки зору безпеки організму, збереження таких мутацій допускати не можна. Один із способів їх виявлення і припинення полягає в тому, що в певні моменти процесу ділення (вони називаються «точками рестрикції») клітина ніби завмирає, щоб перевірити, чи все йде правильно. І якщо щось не так, на цій точці поділ може припинитися. У цій перевірці бере участь досить багато спеціальних генів — точніше, кодованих ними білків. За тимчасову зупинку клітинного циклу в точках рестрикції відповідає ген Rb, продукт якого дозволяє процесу піти далі тільки при наявності певних «дозволяючих» сигналів. А при виявленні пошкоджень ДНК у справу вступає продукт гена p53 — білок р53. Він активує ген WAF1, і починається синтез продукту цього гена — білка р21. Цей білок з’єднується з ферментами, від яких залежить продовження ділення клітини, і блокує їх. Клітинний цикл зупиняється, і це дає клітині можливість усунути пошкодження ДНК. Якщо ж пошкодження занадто велике, клітина переходить у режим апоптозу і гине.

Гени р53 і Rb — найважливіші представники так званих антионкогенів, або генів-супресорів пухлин, головною функцією яких є саме запобігання злоякісного переродження клітин. Чи треба говорити, що мутації, що призводять до порушення їхніх функцій, відкривають дорогу канцерогенезу, тобто перетворенню нормальної клітини на ракову? Мутантні версії гена р53 залучені в розвиток приблизно 50% всіх типів пухлин людини: якщо функція гена порушена, обтяжена генетичними ушкодженнями клітина не гине, а починає прискорено ділитися.

Ще одним з ключових факторів, що відповідають за появу і розвиток онкологічних захворювань, може бути неправильно працює мікро-РНК (miRNA) — порівняно недавно відкритий клас регуляторних (некодуючих) молекул. Показано, що кожен тип зустрічаних у людини ракових пухлин має свій власний добре різний набір мікро-РНК. Крім того, ракові тканини містять в собі набагато менше мікро-РНК, ніж здорові, що також дозволяє припустити, що нормально працюючі мікро-РНК можуть бути ключовим елементом системи «протиракового захисту». Є дані, що мікро-РНК регулюють роботу гена c-Myc — добре відомого протоонкогена, «зіпсовані» копії якого зустрічаються в кожному шостому випадку розвитку раку людини.

Але, як вже говорилося вище, ніякої поодинокої зміни, будь це навіть найбільш груба мутація в найважливішому протоонкогені або супресорі, недостатньо для розвитку раку — щоб клітина вийшла з-під контролю, в ній повинні бути пошкоджені відразу кілька регуляторних механізмів. Сьогодні відомо понад 200 різновидів злоякісних новоутворень. Кожна з них має свої особливості зростання, клінічних проявів, здатності давати метастази тощо, але найголовніше — власну генетичну основу, набір мутацій певних генів. Як правило, для перетворення клітини в ракову повинен відбутися цілий ряд мутацій, який супроводжується глибокими змінами в її життєдіяльності. Змінюється набір продуктів, що синтезуються клітиною, відбуваються зміни у властивостях плазматичних мембран, в результаті чого клітина перестає реагувати на контакти з сусідніми клітинами. Втрачається вибірковість клітин при адгезії, яка у нормальних клітин полягає в тому, що подібні клітини прагнуть злипнутися з подібними: клітини печінки намагаються зібратися разом з клітинами печінки, ниркові — з нирковими. Відбуваються глибокі перетворення цитоскелета. Зменшується потреба в факторах зростання (ні, ну як втомили ці «фактори зростання»! Все-таки фактор — це рушійна сила, причина якогось процесу. Ну як можна «отримувати фактори» з навколишнього середовища? Це ж просто якісь чоботи всмятку для нормальної людини!), одержуваних нормальною кліткою з середовища, в якому вона росте. Нарешті, сильно змінюється спектр генів (у кожній клітці працює лише невелика частина наявних у ній генів, решта мовчать), які працюють у раковій клітці, порівняно з нормальною.

Звичайне явище в пухлинних клітинах — синтез теломерази (див. статтю Б. Жукова «Смертельний егоїзм»), в результаті чого клітини знаходять «реплікативне безсмертя» — здатність ділитися необмежену кількість разів. Про мутації, що призводять до надлишкового синтезу факторів зростання або появи дефектних рецепторів до них, ми вже говорили. У пухлинних клітинах часто спостерігаються зміни в цитоскелеті і втрата чутливості до контактного гальмування проліферації (тобто до зовнішніх команд «Скасувати ділення!»). У них часто припиняється синтез білків, що беруть участь в апоптозі. Висока частота мутацій в пухлинних клітинах полегшує їх адаптацію до середовища, і один з проявів такої адаптації — розвиток стійкості до лікарських засобів. У міру зростання пухлини клітини починають виділяти ферменти-протеази, що руйнують білки і дозволяють раковій клітині вторгатися в будь-яку тканину. На певному етапі клітини виділяють фактори, що сприяють розростанню судин і поліпшенню кровопостачання пухлини. Деякі мутації дають пухлинним клітинам можливість залишатися невразливими для імунної системи — наприклад, в деяких пухлинах знижується рівень вироблення антигенів HLA класу I, і клітини не розпізнаються Т-лімфоцитами (оскільки у ракових клітин весь вигляд і морфологія не відповідають «нормі», їх набір антигенів, що служать клітині «паспортом», видав би з головою. Але вони просто перестають «пред’являти документи», тобто синтезувати і виносити на поверхню ці антигени — і одурені лімфоцити проходять повз). Здатність метастазів виживати в чужому оточенні також пов’язана з мутаціями певних генів. Отже, щоб клітина стала пухлинною, в ній має відбутися дуже багато змін: в пухлинах людини часом знаходять більше 10 мутацій.

Втім, деякі «потрібні» мутації можуть бути присутніми в клітці спочатку. Як відомо, мутації можуть відбуватися як у статевих клітинах, так і в соматичних. У першому випадку мутація може бути успадкована і буде присутня у всіх соматичних клітинах нащадків. Це саме по собі не викликає рак (для злоякісного переродження клітини необхідна як мінімум ще одна мутація, яка повинна відбутися вже в соматичній клітці — в тій же версії другої хромосоми), але, звичайно, значно підвищує ймовірність розвитку хвороби, причому саме конкретної форми. Саме цим пояснюється феномен «сімейного» раку. Спадковими можуть бути пухлини практично всіх тканин і органів (5-10% від усіх випадків). Спадкова схильність доведена для поліпозного і неполіпозного раку товстого кишечника, раку шлунка, молочної залози, пухлин ендокринних залоз та інших пухлин.

За останні роки накопичено досить великий і детальний матеріал по канцерогенезу — досить ймовірно, що ми впритул підійшли до того рубежу, за яким відкриваються можливості активного управління процесами клітинної трансформації.

Глосарій

Диференціювання клітин — процес, в ході якого клітина набуває специфічної форми і здатність виконувати певну функцію (еритроцит — переносити кисень, клітина серцевого м’яза — скорочуватися тощо). Диференціювання клітин певного типу досягається експресією в них комплексу генів, специфічних для даного типу клітин конкретної тканини. Високодиференційовані клітини, як правило, не здатні до проліферації.

Проліферація — процес розмноження клітин, в результаті якого збільшується їх число. Цим терміном не називають ділення клітин без збільшення їх загального числа (наприклад, стовбурових клітин волосяної цибулини, де одна з дочірніх клітин негайно починає відмирати).

Промотор — регуляторна частина гена, ділянка ДНК, з якої починається транскрипція гена. Активація промотора веде до різкого збільшення активності гена і в результаті — до збільшення синтезу білка, кодованого цим геном.

Транскрипція — стадія зчитування генетичної інформації, на якій нуклеотидна послідовність ДНК копіюється у вигляді нуклеотидної послідовності РНК.

Фактори росту — сигнальні речовини, підвищена концентрація яких у позаклітинному середовищі спонукає клітини до проліферації (див. вище). Часто володіють тканинною специфічністю (спонукають до ділення клітини певної тканини), але при цьому можуть виділятися як самими клітинами даного типу, так і клітинами інших тканин. Практично не діють на високоспеціалізовані клітини, чия функція в організмі не вимагає регулярного поділу.

Експресія гена — втілення закодованої в даному гені інформації в РНК і білок; вимірюється зазвичай за інтенсивністю синтезу кодованого цим геном білка.